CN101315480A

CN101315480A - 光学无源元件以及光源模块

Info

Publication number: CN101315480A
Application number: CNA2007101065056A
Authority: CN
Inventors: 姚柏宏; 张延瑜; 林怡欣; 杨文勋
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2007-06-01
Filing date: 2007-06-01
Publication date: 2008-12-03

Abstract

本发明涉及一种光学元件及光源模块。一种光学无源元件，包括第一基板、第二基板、稳定型液晶材料层以及表面微结构层。稳定型液晶材料层，位于第一基板与第二基板之间，通过多个液晶分子的排列方向使具有偏光分光功能。表面微结构层设置于该第一基板与该第二基板至少其一的外表面，用以产生集光效用。

Description

光学无源元件以及光源模块

技术领域

本发明涉及一种光学元件，且特别涉及一种高效率光学元件，可应用于光源模块。

背景技术

液晶显示器(LCD apparatus)已经是普遍的商业产品有广泛的应用。一般的液晶显示器，如图1所示，包含背光模块100，以产生平面光，以及液晶显示面板(LC Display Panel)通过平面光以显使影像。液晶显示面板一般包括下基板104与上基板112，其中间有液晶层108。基板104配置包括有透明电极与驱动元件的结构层106以及偏光片102。另外基板112配置包括有透明电极与滤光片的结构层110以及偏光片114。通过基板上的电极来控制液晶分子的排列方向可以控制像素的灰阶值，再加上通过三个颜色的滤光片的使用可以组成所要的颜色。其进一步细节不予详述。

对于液晶显示器而言，其画面显示的亮度是由背光模块所提供。然而，由于液晶显示器的元件数量多，再加上例如彩色滤光片的吸光作用、偏光片的吸光作用、薄膜晶体管(TFT)的低开口率等因素，一般液晶显示器可能仅使用到背光模块所发出的光的5％～10％，造成光利用率过低，也因此浪费大量能源。虽然在传统技术中已有提出增加光使用率的设计，例如美国第5,828,488号专利提出利用多层但是不同双折射率的高分子材料构成相互叠层的结构，以循环式增加光使用率。另外，美国第6,025,897号专利提出将偏光片材料与菱镜光材料整合于单一元件上，以提升光使用率。

然而，由于背光用的光学膜片的需求量大，开发新功能整合化的光学膜有很大的利用价值，业者仍积极寻求开发其他设计，以期能进一步提升光使用率。

发明内容

本发明提供一种光学无源元件，透过元件的整合与功能提升，以有效降低成本同时达到节省能源的效果。

本发明提出一种光学无源元件，包括第一基板、第二基板、稳定型液晶材料层以及表面微结构层。稳定型液晶材料层，位于第一基板与第二基板之间，通过多个液晶分子的排列方向使具有偏光分光功能。表面微结构层设置于该第一基板与该第二基板至少其一的外表面，用以产生集光效用。

依照本发明优选实施例的所述光学无源元件，其中稳定型液晶材料层例如是高分子稳定型液晶材料层。

依照本发明优选实施例的所述光学无源元件，其中稳定型液晶材料层含有均匀分布的多个液晶滴，且该些液晶滴的多个液晶分子，在无电场下基本上是不在相同的方向。又例如，这些液晶分子排列的方向可以将具有第一偏光态光反射，而让第二光偏光态光穿透。

依照本发明优选实施例的所述光学无源元件，其中又例如第一基板与第二基板分别的一个内表面，有延伸于一方向且平行的多条沟槽。其中，又例如第一基板与二基板的沟槽的方向互为垂直或平行。

依照本发明优选实施例的所述光学无源元件，其中又例如其表面微结构层包括规则线状延伸结构、不规则线状延伸结构、圆形微透镜阵列、或是锥形微透镜阵列。

本发明更提出一种光源模块，包括光源单元以提供平面光。扩散片配置于光源单元后，以接收该平面光使均匀扩散。如前述的光学无源元件，配置于扩散片后。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1绘示传统液晶显示装置的剖面结构示意图。

图2绘示依据本发明实施例，光学无源元件的剖面示意图。

图3绘示依据本发明实施例，两个基板的结构示意图。

图4绘示依据本发明实施例，光源模块的剖面示意图。

图5-8绘示依据本发明实施例，表面微结构层的结构示意图。

附图标记说明

100：背光模块 102：偏光片

104、112：基板 106：结构层

108：液晶层 110：结构层

114：偏光片 200、202：基板

204：稳定型液晶材料层 206：液晶滴

208：表面微结构层 210：电场方向

212：电压 300：导光元件

302：反射片 304：发光源

306：初始光源 307：扩散片

308：偏光态的光

具体实施方式

本发明提出利用稳定型液晶材料层，例如高分子稳定型液晶材料(Polymer Stabilized Liquid Crystal)，搭配微结构以形成有高效率的整合型光学膜片，其又同时具有偏光转换与提升中心亮度的功效。本发明应用于液晶显示器时，可以大幅提升面板的光透射效率与中心辉度，并减少膜片使用量，促使整体架构的简单化以及成本的降低。

高分子稳定型液晶材料的特性是将液晶分子与高分子液态胶料混合。液晶分子透过高分子材料的键结作用，可以均匀分布于高分子材料中，且被涂布于基板上。当利用紫外线将高分子材料硬化时，由于相分离的作用，液态的液晶分子就会结成液晶滴，稳定地且均匀地分布于硬化后的高分子材料内。于此，高分子材料例如包括PET(poly(ethylene terephthalate))、聚苯乙烯(PS，Polystyrene)、环烯烃(COC，Cyclic Olefin Copolymer)、压克力(PMMA，Polymethyl methacrylate)或是聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)等。

在上述的制作过程中，可以形成均匀分布的液晶滴，且液晶滴里面的液晶分子大致上会排列在相同方向。然而每一个液晶滴的液晶分子排列方向，在没有电场的环境下是任意分布，因此基本上不具有偏光的功能。

本发明为了使制作成的稳定型液晶材料同时具有偏光的功能，在进行高分子硬化过程中，例如会预先施加外部电场(或外部配向力)，使液晶滴内的液晶分子在硬化过程中已大致上排列在所要的方向上。如此，高分子经实际硬化后，在没有电场的环境下，每个液晶滴的多个液晶分子，会基本上排列在一个预定方向，因此可以同时具有偏光的功能。

图2绘示依据本发明实施例，光学无源元件的剖面示意图。参阅2，本发明的光学无源元件包括第一基板200、第二基板202、稳定型液晶材料层204以及表面微结构层208。两个基板200、202例如可以是玻璃基板亦可为高分子透明材料。

稳定型液晶材料层204，位于第一基板与第二基板之间，通过多个液晶滴206内的多个液晶分子的排列方向使具有偏光分光功能。如前述，在稳定型液晶材料层204的硬化过程中，例如可同时施加外部电场，使液晶分子沿着电场的方向排列。一般例如，外部电场是水平的预定方向，以达到所要的排列方向。由于液晶分子的特性，会将具有偏光态的光，例如使S偏光态的光反射，而让另一偏光态的光，例如使P偏光态的光反射穿透。换句话说，含有S偏光态与P偏光态的入射光，例如其P偏光态的光成分会穿透出，而S偏光态的光成分会被反射，达到偏极分光的效果。S偏光态与P偏光态式互为垂直的状态，因此稳定型液晶材料层204本身就具有偏极分光的作用。

另外，基板200、202上也例如也可以具有电极结构，由电压控制单元212控制，以产生电场而更进一步控制旋转液晶分子206的排列方向。

又、表面微结构层208例如设置于基板200与基板202的至少其一的外表面，用以产生集光效果。表面微结构例如包括规则线状延伸结构、不规则线状延伸结构、圆形微透镜阵列、或是锥形微透镜阵列。图2的表面微结构层208是以规则线状延伸结构为实施例。另外例如包括图5-8绘示的一些表面微结构层的结构示意图。图5例如是不规则线状延伸结构。图6例如是金字塔阵列结构。图7例如是规则线状结构。图8例如是弯曲结构，其可以是规则或不规则。

接着另一种方式，也可以进一步使液晶分子秩序排列于预定方向，以进一步提升偏光选择能力。图3绘示依据本发明实施例，两个基板的结构示意图。参阅图3，为了使液晶分子在高分子被固化时能有较规则依照所要的排列方向排列，可以在两个基板200、202的内表面分别增加两个配向层(aligning layer)200a、202a。由于配向层的作用，贴近配向层的液晶分子，依照配向层的方向，会有较秩序排列于此方向上，以提升偏光的选择效果。于此设计，外部电场(外部配向力)可以施加或是无需施加，依实际需要而定。又、由于两个配向层200a、202a的配向方向例如互为垂直，更可以提升对特定偏光方向的光，有通光选择性，以提升透光元件的偏极化纯度。然而，两个配向层200a、202a的配向方向也可例如互平行，其依实际需要而定。

接着，上述本发明的光学元件例如可以应用于背光模块。图4绘示依据本发明实施例，光源模块的剖面示意图。光源模块例如是以背光模块为例做说明。参阅图4，光源单元，用来提供平面光。光源单元的设计可以例如是由发光源304与导光元件300所构成。发光源304例如点光源，更例如是发光二极管，以发出初始光源。由于初始光源不是平面光，因此通过导光元件300可以接收初始光源306而导引转换成平面光。导光元件300例如是导光板，将点光源转换成光面的形式。由于导光元件300的折射系数大于空气，因此在界面上会有内全反射的现象，又或是仍有一部分光，由于光学效应会在界面被反射回到导光元件300内部。为了能更加有效利用光源，例如可以在导光元件300的表面再配置反射片302，就可以回收一些光源，再继续使用。然而光源单元主要示提供一些程度的平面光，其设计不限于所举实施例。

又由于从光源单元出射的光，其光强度可能不均匀，因此可以使用扩散片(diffusion plate)307使光的强度的平面分布趋于均匀。接着，经过扩散片307的光会进入如图2所述的光学元件。依相同机制，具有偏光态的光308会穿透，而具有另一偏光的光会被反射回扩散片307。由于光学特性的作用，反射的偏光态会被改变又产生一部分可穿透的偏光态，因此可以继续循环回收使用，其也可以确保输出光308的偏光态纯度。

本发明使用稳定型液晶材料层204以及配合表面微结构层208的使用，可以有效提升由光源304产生的光的使用效率，又同时能将光偏极化，提高光通过下偏极片的通光率，更优选地，可以节省偏光片的使用，

虽然本发明已以优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的为准。

Claims

1.一种光学无源元件，包括：

第一基板；

第二基板；

稳定型液晶材料层，位于该第一基板与该第二基板之间，通过多个液晶分子的排列方向使具有偏光分光功能；以及

表面微结构层，设置于该第一基板与该第二基板至少其一的外表面，用以产生光线偏折效用。

2.如权利要求1所述的光学无源元件，其中该稳定型液晶材料层是高分子稳定型液晶材料层。

3.如权利要求1所述的光学无源元件，其中该稳定型液晶材料层含有均匀分布的多个液晶滴。

4.如权利要求3所述的光学无源元件，其中该些液晶分子排列的该方向会将具有第一偏光态光反射，而让第二光偏光态光穿透。

5.如权利要求1所述的光学无源元件，其中该第一基板与该第二基板的每一个都包含电极结构，允许施加电场以改变该些液晶分子的该排列方向。

6.如权利要求1所述的光学无源元件，其中该第一基板与该第二基板分别的一个内表面，有延伸于一方向且平行的多条沟槽。

7.如权利要求6所述的光学无源元件，其中该第一基板与该二基板的该多条沟槽的该方向互为平行。

8.如权利要求1所述的光学无源元件，其中该表面微结构层包括规则线状延伸结构、不规则线状延伸结构、圆形微透镜阵列、或是锥形微透镜阵列。

9.一种光源模块，包括：

光源单元，提供一平面光；

扩散片，配置于该光源单元后，以接收该平面光使均匀扩散；以及

光学无源元件，配置于该扩散片后，包括：

第一基板，位于入射端；

第二基板，位于出射端；

表面微结构，设置于该第二基板与该第二基板至少其一的外表面。

10.如权利要求9所述的光源模块，其中该光源单元包括：

发光源，发出初始光源；以及

导光元件，接收该初始光源，导引转换成该平面光。

11.如权利要求9所述的光源模块，其中

该稳定型液晶材料层是高分子稳定型液晶材料层。

12.如权利要求9所述的光源模块，其中该稳定型液晶材料层含有均匀分布的多个液晶滴。

13.如权利要求12所述的光源模块，其中该些液晶分子排列的该方向会将具有第一偏光态光反射，而让第二光偏光态光穿透。

14.如权利要求9所述的光源模块，其中该第一基板与该第二基板分别的一个内表面，有延伸于一方向且平行的多条沟槽。

15.如权利要求14所述的光源模块，其中该第一基板的该多条沟槽与该二基板的该多条沟槽互为垂直或平行。

16.如权利要求9所述的光源模块，其中该表面微结构包括规则线状延伸结构、不规则线状延伸结构、圆形微透镜阵列、或是锥形微透镜阵列。